План урока:

Передача информации: что такое канал связи

Понятие «компьютерная сеть»

Терминология компьютерных сетей

Сетевые топологии

Локальные и глобальные компьютерные сети

Как определить скорость передачи информации

Передача информации: что такое канал связи

Для того чтобы передать информацию между двумя территориально разделенными точками, вне зависимости от того, на какое расстояние эти точки разнесены – на один сантиметр, или сотню световых лет, необходимо договориться о двух вещах: посредством чего предавать данные, и в каком виде, то есть определить канал связи и способ кодирования.

Канал связи – это естественная или искусственно созданная физическая среда, в которой могут распространяться информационные сигналы, обладающая тремя ключевыми характеристиками: дальностью распространения сигнала, пропускной способностью и помехозащищенностью.

Дальность распространения определяется физическими свойствами среды, такими как рассеивание и затухание сигнала.

Пропускная способность канала связи определяет предельный объем информации, который может быть передан за единицу времени.

Помехозащищенностью называют соотношение уровня полезного сигнала к уровню помех (шума).

Кодирование – это способ представления информационных сигналов в конкретной среде их распространения.

Рассмотрим несколько каналов связи на примере человеческого общения без использования технических средств.

• Речевой канал. Люди могут эффективно обмениваться информацией на небольших расстояниях (до нескольких десятков метров), используя устную речь. Средой распространения в таком канале является воздух. Передаваемая информация разбивается на слова, слова – на звуки, каждый из которых представляет собой пакет звуковых сигналов определенного диапазона частот. Пропускная способность канала определяется скоростью, с которой люди могут произносить и распознавать речь. Этот канал связи подвержен воздействию шумов, но даже при сильных помехах мы все еще способны распознать информацию благодаря избыточному кодированию. Например, фраза «что и требовалось доказать» может быть распознана на слух, даже если половина звуков не достигнет адресата. В текстовом представлении достаточно трех букв – «ч.т.д.».
• Оптический канал. Если дальности распространения сигнала в речевом канале недостаточно, или вокруг слишком шумно, люди прибегают к оптическому каналу связи – общению с помощью жестов или символов. Теоретическая пропускная способность такого канала очень высока: можно, например, показать фото или одним жестом указать маршрут движения, не зря говорят «лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». Но применяемые в быту способы кодирования жестами крайне ограничены, для полноценного общения требуется изучение одного из жестовых языков. С увеличением расстояния применяют виды кодирования, еще больше снижающие пропускную способность – семафорный код, азбуку Морзе, дымовые сигналы и т.д.
• Почта. Достаточно надежным и помехоустойчивым каналом связи является почта (классическая, голубиная, курьерская и пр.). Информация в этом канале передается пакетно – блок информации упаковывается в пакет и отправляется как единое целое, и адресно – канал связи устанавливается между источником и приемником информации, в отличие от двух предыдущих типов связи, где переносчиком информации является среда (такие каналы называют вещательными). По многим критериям, о которых вы узнаете далее, почтовая доставка схожа с принципами работы компьютерных сетей.

Появление и развитие цифровых технологий позволило значительно расширить и дополнить перечень доступных способов связи. В предметной области каналов передачи данных термин «цифра» имеет совершенно четкую трактовку, вся информация кодируется последовательностью из двух возможных состояний (логических уровней):

– 1 (единица) – есть сигнал;

– 0 (ноль) – нет сигнала.

Поскольку для любой среды передачи данных можно задать подобные логические уровни, цифровое кодирование становится универсальным способом представления информации. Пропускная способность цифрового канала определяется количеством бит (состояний «единица» или «ноль»), передаваемых за единицу времени.        

Понятие «компьютерная сеть»

Компьютерная сеть – это множество компьютеров или иных цифровых устройств, соединенных между собой линиями связи под управлением специализированного программного обеспечения.

Компьютерные сети исторически называют вычислительными сетями. Этот термин отражает первоначальное назначение таких сетей, появившихся в 60-е годы XX века – организацию связи между вычислительными машинами. Возможности отдельных компьютеров, как по производительности, так и по объемам хранимой информации ограничены, но этот порог можно легко преодолеть, создав систему из нескольких машин, соединив их проводами и договорившись о правилах обмена информацией.

Следует понимать, что не все провода соединяющие компьютеры являются сетевыми линиями связи. Это могут быть, например, провода электропитания (которые называют «сетевыми кабелями», что еще больше запутывает), провода заземления или подключения периферийных устройств. Более того, современные компьютерные сети могут строиться вообще без проводов – обмениваясь данными посредством радиосигналов.

Так какими же характерными признаками обладает компьютерная сеть?

Во-первых, основным назначением такой сети является обмен информацией. Существуют способы организации передачи цифровых данных по телефонным линиям, телевизионным кабелям, и даже электрическим проводам, позволяющие превратить их в компьютерные сети. При этом связь между системным блоком компьютера и монитором, мышью или принтером предназначена для информационного обмена, но сетевой не является.

Во-вторых, компьютерная сеть должна предусматривать возможность подключения к ней множества устройств (называемых узлами сети), которые могут обнаруживать друг друга и связываться для обмена данными по специальным идентификаторам – сетевым адресам. К компьютеру можно подключить множество USB-устройств, которым назначаются уникальные номера, но такое подключение называют не сетью, а шиной, в первую очередь потому, что USB-устройства не могут «видеть» друг друга и связываться напрямую.

В-третьих, в компьютерной сети должна быть предусмотрена система маршрутизации и аппаратно-программные механизмы доставки сообщений. Проводя аналогии с работой почты из предыдущего параграфа, маршрутизация определяет перечень промежуточных почтовых отделений и сортировочных центров, которые должно пройти отправление, прежде чем оно достигнет адресата, а механизмы доставки – это почтовые работники и технические средства.

Терминология компьютерных сетей

Для понимания устройства и принципов работы компьютерных сетей необходимо ознакомиться с основными терминами и определениями, принятыми в этой сфере.

Узел (хост) – компьютер или иное цифровое устройство, подключенное к сети и способное принимать и отправлять данные.

Порт (физический) – разъем для подключения сетевого кабеля.

Порт (программный) – условный номер, позволяющий создать на одном физическом порту несколько «виртуальных» подключений.

Сетевой адрес – идентификатор отдельного узла компьютерной сети. Различают два типа адресов: MAC-адрес и IP-адрес.

MAC-адрес – уникальный номер сетевого устройства, состоящий из кода производителя и серийного номера изделия.

IP-адрес – числовой код, определяющий местонахождение узла в компьютерной сети.

Сервер – специальный компьютер, работающий в сети и предоставляющий другим компьютерам сети определенные сервисы.

Рабочая станция – компьютер, подключенный к сети и не выполняющий функций сервера.

Сетевой протокол – стандарт, описывающий процессы взаимодействия элементов сети.

Сетевые топологии

Способов объединить несколько компьютеров в сеть можно придумать очень много, однако существуют типовые шаблоны таких соединений, называемые топологиями.

Топология компьютерной сети – это геометрическое расположение элементов сети и связей между ними. 

Рисунок 1 – Базовые топологии компьютерных сетей

Базовыми топологическими схемами являются:

– полносвязная топология;

– кольцо;

– шина;

– звезда;

– дерево.

Реальные конфигурации сети могут содержать различные комбинации перечисленных топологий.

Полносвязная топология

Рисунок 2 – Полносвязная топология

Эта схема предполагает наличие прямых соединений между всеми участниками сети.

Достоинства:

– простота маршрутизации (между любыми компьютерами есть прямой контакт);

– высокая надежность (выход из строя одного узла или провода никак не влияет на остальную сеть).

Недостатки:

– плохая расширяемость (чтобы добавить новый компьютер, нужно протянуть провода ко всем остальным);

– необходимость наличия огромного количества портов подключения на каждом устройстве (равно числу узлов) и проводов (пропорционально квадрату числа узлов).

Кольцо

Рисунок 3 – Топология «кольцо»

В кольцевой схеме каждый компьютер соединен с двумя соседними, образуя кольцо. Данные перемещаются в одном направлении, то есть, каждый узел принимает информацию только от одного соседа, а другому только передает.

Достоинства:

– неограниченный масштаб сети (каждый компьютер в цепочке действует как ретранслятор, поэтому эффекты затухания сигнала учитываются только для отдельных сегментов);

– простота развертывания (компьютеру нужно иметь всего два порта подключения, причем один работает только на вход, другой – только на выход).

Недостатки:

– низкая надежность (повреждение одного кабеля выводит из строя всю сеть);

– избыточный трафик (пакет данных, предназначенный для отправки соседнему узлу, должен обойти все кольцо, если этот узел «слева»).

Двойное кольцо

Рисунок 4 – Топология «двойное кольцо»

Схема «двойное кольцо» призвана повысить надежность кольцевой топологии за счет добавления резервного маршрута, в котором данные идут в обратном направлении. Второе кольцо задействуется только при неполадках в основном.

Шина

Рисунок 5 – Топология «шина»

Топология «шина» подразумевает наличие единой магистрали, к которой подключаются все компьютеры сети. Все пакеты данных транслируются на все компьютеры, и каждый сам решает, предназначен этот пакет ему или нет.

Достоинства:

– низкая стоимость оборудования (один магистральный кабель на всю сеть);

– выход из строя отдельных узлов не влияет на сеть.

Недостатки:

– ограниченный размер (без использования повторителей, сеть не может преодолеть физические ограничения магистрали);

– повреждение магистрального кабеля выводит сеть из строя.

Звезда

Рисунок 6 – Топология «звезда»

В отличие от рассмотренных ранее сетей, в которых все узлы можно считать равноценными, в топологии «звезда» один из компьютеров выполняет задачу маршрутизации. К нему напрямую подключены все остальные узлы, он принимает пакеты от источников и пересылает их адресатам.

Достоинства:

– невысокая стоимость;

– простота развертывания.

Недостатки:

– надежность сети определяется надежностью одного узла;

– размер сети ограничен числом портов центрального компьютера.

Существует разновидность топологии «звезда», в которой центральный узел заменен специальным устройством – коммутатором, задачей которого является только пересылка пакетов данных, что повышает надежность сети. Такая схема называется «пассивная звезда», и это самая распространенная сетевая топология в настоящий момент.

Рисунок 7 – Топология «пассивная звезда»

Дерево

Рисунок 8 – Топология «дерево»

В топологии «дерево», так же, как и в «звезде» не все узлы равнозначны. Здесь компьютеры размещены на разных уровнях иерархии, и компьютер более высокого уровня (родительский) служит коммутатором для расположенных ниже (дочерних). По аналогии со «звездой», использование специализированного оборудования позволяет создать «пассивное дерево».

Рисунок 8 – Топология «пассивное дерево»

Достоинства:

– масштабируемость;

– простота обслуживания.

Недостатки:

– надежность всей дочерней подсети ограничена надежностью родительского узла;

– с ростом «дерева» замедляется передача данных.

Локальные и глобальные компьютерные сети

Компьютерные сети по обслуживаемой территории подразделяются на:

– локальные;

– городские;

– глобальные.

Локальная сеть (Local Area Network, LAN) – компьютерная сеть, охватывающая небольшую территорию, здание или объект, например, дом, школу, торговый центр, вокзал.

Городская сеть (Metropolitan Area Network, MAN) – компьютерная сеть города или городской агломерации.

Глобальная сеть (Wide Area Network, WAN) – компьютерная сеть, не имеющая территориальных ограничений и охватывающая страны и континенты.

Общее количество возможных IP-адресов ограничено 32 двоичными разрядами, это дает чуть больше 4 млрд. комбинаций, чего явно недостаточно для присвоения уникальных адресов всем сетевым устройствам мира. Это проблема решается следующим образом:

– в глобальной сети видны не все компьютеры, а только те, которым назначены так называемые «публичные» сетевые адреса;

– в пределах локальной сети адреса назначаются всем устройствам;

– диапазоны адресов глобальной и локальных сетей не пересекаются;

– адреса локальной сети недостижимы ни из глобальной сети, ни из других локальных сетей.

Таким образом, локальным устройствам можно назначать адреса из определенного диапазона, заботясь только об их уникальности в пределах локальной сети.   

Как определить скорость передачи информации

В некоторых ситуациях важно знать скоростные характеристики сетевого подключения, например, чтобы слушать музыку, смотреть фильмы онлайн, осуществлять видеосвязь или играть в компьютерные игры по локальной сети.

Чтобы определить, с какой скоростью ваш компьютер может обмениваться данными в сети, нужно в первую очередь понять, где находится адресат обмена. Два стационарных компьютера домашней сети могут связываться через локальную сеть, используя высокоскоростное проводное соединение. Ноутбук и смартфон, скорее всего, свяжутся через Wi-Fi точку доступа, а для просмотра этого урока на сайте любому устройству потребуется выход в глобальную сеть Интернет.

Анализ пропускной способности в диспетчере задач Windows

Самым простым и доступным способом проверки скорости обмена информацией для отдельного компьютера, работающего под управлением операционной системы Microsoft Windows является диспетчер задач.

Шаг 1. Нажмите комбинацию клавиш Ctrl+Alt+Del и в появившемся меню выберите «Диспетчер задач».

Шаг 2. Откройте вкладку «Производительность».

Шаг 3. Выберите слева сетевое подключение, через которое компьютер выходит в сеть. На рисунке приведен пример выбора беспроводной сети для ноутбука.

Рисунок 9 – Анализ пропускной способности сети в диспетчере задач

График показывает динамику сетевого обмена в реальном времени. Чтобы оценить скоростной предел, нужно максимально нагрузить сетевую карту, скачивая, например, несколько больших файлов.

На следующем рисунке показан пример загрузки адаптера беспроводной сети при просмотре видео с разрешением 8К в сети Интернет. Пиковая скорость обмена достигает 62,1 Мбит/с.

Анализ скорости сетевого обмена на маршрутизаторе

Недостатком предыдущего метода является то, что если к вашей локальной сети подключено несколько устройств, активно скачивающих данные из сети Интернет, то пропускная способность вашего подключения будет разделяться между ними, и вы не получите полной картины.

Современные маршрутизаторы имеют веб-интерфейс, позволяющий зайти в панель управления через браузер и посмотреть общую статистику. На скриншоте представлен фрагмент окна системного монитора маршрутизатора Keenetic Air.

Использование специализированных сервисов

Не всегда узким местом в сетевом обмене является ваш канал доступа в Интернет, бывает так, что скорость скачивания информации преднамеренно или непреднамеренно ограничена самими сервером. Для получения наиболее адекватной и точной оценки используют сайты, специально созданные для таких проверок. Они максимально нагружают ваш канал передачи данных в одну и в другую сторону на непродолжительное время и делают замер этих двух скоростей. Для повышения точности используется наиболее близко расположенный к вам сервер.

На рисунке приведен пример результатов измерения на сайте speedtest.net.